等效电压源定理及应用

等效电压源定理及应用

一、等效电压源定理（戴维宁定理）

1、内容：一个包含电源的二端电路网络（端点为A 、B ），可看成一个等效的电压源，等效电压源的电动势等于“二端电路网络”两端的开路电压（E U '=开），内阻等于“二端电路网络”中去掉电动势后两端间的等效电阻（AB r R '=）。

2、证明：

（1）基本情形1：如图甲所示电路，将虚线框内部分视为等效电源，则等效电路图如图乙所示。

对甲图，设电路中电流为I ，由闭合电路欧姆定律，有：0E I r R R =

++；对乙图，有：E I r R

'

='+；

两式比较，易得：E E '=，0r r R '=+；图丙是该等效电源的内部结构，易知：=U E 开，0AB R r R =+，

得证。

（2）基本情形2：如图丁所示电路，将虚线框内部分视为等效电源，则等效电路图如图戊所示。

对丁图，设通过R 的电流为I ，R 两端电压为U ，则通过电源的电流为0

=U

I I R +总，由闭合电路欧姆定律，有：

0000

()(1)()R r U r

E U I r U I r U Ir U Ir R R R +=+=++

=++=+总 变形得：

00

00R R E U I r R r R r

=+++ 对戊图，有： E U Ir ''=+

两式比较，得：00

00R R E E r r R r R r

''=

=++， 如己图所示，为该等效电源的内部结构，易知：

00

00AB R R U E R r R r R r

=

=++开，，得证。 （3）一般情形：如右图所示为一般电路，则按顺序依次将处于内部的虚线框部分视为更外围部分的等效电源，则易知，等效电压源定理适用于一般电路。

乙

A

甲

丙

丁

戊 A

己

二、等效电压源定理的应用

1、电源电动势和内阻测量的系统误差分析

该实验的理论依据是

Ir

U

E+

=，其中U为电源的端电压，I为通过电源的电流；如图所示为该实验的两种测量电路。

左图中电流表测量的是通过电源的电流，但由于电流表的分压作用，电压表却测量的不是电源的端电压，右图中电压表测量的是电源的端电压，但由于电压表的分流作用，电流表测量的也不是通过电源的电流。

但是，两图中，电压表测量的都是虚线框两端的电压，电流表测量的都是通过虚线框的电流，因此，依据Ir

U

E+

=算出来的实际上是虚线框内等效电源的电动势和内阻，即左图：E E

=

测

，

A

r r R

=+

测

，

右图：00

00

R R

E E r r

R r R r

==

++

测测

，。

安箱法、伏箱法的误差分析，由于是把R当做外电阻，与此同理，也是测量的虚线框内等效电源的电动势和内阻。

2、动态电路相关问题的分析

【例】如图所示电路中，电源内阻不能忽略不计，电流表、电压表均视

为理想表，滑动变阻器总阻值足够大；当滑动变阻器滑片从左端向右滑动时，

下列说法中正确的是：

A、电流表A示数减小

B、电压表V1、V2示数减小

C、电压表V3示数变化的绝对值与电流表示数变化的绝对值之比为R

D、滑动变阻器R消耗的电功率先减小后增大

【解析】A、考虑电流表A读数时，可将R1、R3、E视为一个等效电源（E1、

r1），如图虚线框所示，R增大时，由闭合电路欧姆定律有1

12

E

I

r R R

=

++

，

电流表A示数减小。

B、电压表V1的示数为电源E的路端电压，R增大时，电源E的外阻增

大，由闭合电路欧姆定律有

1

R

U E

R r

=

+

外

外

，可知电压V1表示数增大；考虑

电压表V2示数时，可将R2视为等效电源（E1、r1）的外电阻的一部分，则由

闭合电路欧姆定律有

21

21

R

U E

R R r

=

++

2，可知R增大时，U

2减小。

CD、将除R外的其余部分视为等效电源（E2、r2），则有

322

U E Ir

=-，

R1

E

S1

R

A R2

R3

V2

V3

V1

R1

E

S1

R

A R2

R3

V2

V3

V1

可知

3

2U r I

∆=-∆，而不是R ——R 实际上是变化的；R 消耗的功率即为等效电源（E 2、r 2）的输出功率，由P R -出外函数规律可知，R 从0逐渐增大到r 2时，P 逐渐增大；R =r 2时，P 最大，为22

2

4m E P r =

；R 再增大，P 又减小。

【拓展】按此思路，结合串联分压、并联分流知识，易得出动态电路分析一个重要的结论——“串反并同”。

3、电路匹配的工作点问题

【例】某电阻器R x 的伏安特性曲线如下图中曲线所示，将其与定值电阻R 0=5Ω串联起来后，接在电动势E =、内阻r =1Ω的电源两端，如右图所示，则该电阻器的实际功率为多少

【解析】电阻器R x 可看做是虚线框内等效电源（E ＇、r ＇）的外电阻，则R x

两端电压U 就是该等效电源的路端电压，通过的电流I 就是通过该等效电源的电流；因此，R x 的工作点（U ，I ）必然同时在该等效电源的伏安特性曲线U E Ir ''=-和该电阻器的伏安特性曲线上，即两曲线的交点处。

已知 3.0V E E '==，06r r R '=+=Ω，代入U E Ir ''=-，得

36U I =-，其函数图线如图所示，则可知U =，I =0.35A ，则该电阻器的

实际功率为P =IU =。

【拓展】其实，本题只是要得出通过R x 的电流就可以了，因此，直接将R x 与R 0合在一起作为一个元件，描出其伏安特性曲线后再与实际电源（E 、r ）的伏安特性曲线求交点；或者，把R x 与电源（E 、r ）合在一起作

为等效电源（E E '=，x r r R '=+），作其伏安特性曲线U E Ir ''=-，然后与R 0的伏

安特性曲线求交点。不过，前述解析是最简单的一种。

R 0 R x

E ，r

S